復合材料的分層缺陷

1、復合材料的分層缺陷引言目前被廣泛用于飛機承力構(gòu)件的纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）主要是層合板與層 合結(jié)構(gòu)。在層合板的制造過程中，常由于許多不確定的因素，使復合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生分層、 孔隙、氣孔等等不同形式的缺陷；同時，復合材料層合板在裝配與服役過程中所受到低能 沖擊很容易引發(fā)各種形式的損傷。由于增強纖維鋪設方向的不一致常導致鋪層間剛度的不 匹配，引發(fā)較高的層間應力，而層間應力的主要傳遞介質(zhì)是較弱的樹脂基體，因此對于復 合材料層合板，分層是其主要的損傷形式。有報導統(tǒng)計，復合材料層合板在加工、裝配和 使用過程中產(chǎn)生的分層損傷，占缺陷件的50%以上。分層常存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無法根據(jù)表而狀態(tài)檢測出來，并

2、且分層的存在極大地降 低了 結(jié)構(gòu)的剛度，特別在壓縮載荷作用下，由于發(fā)生局部屈曲而導致分層擴展，使結(jié)構(gòu)在低于 其壓縮強度時發(fā)生破壞。在飛機研制與制造過程中，復合材料層合板的分層損傷問題一直 是難以解決的結(jié)構(gòu)問題之一，也是影響CFRP在結(jié) 構(gòu)組分中應用的主要限制因 素。因此，如 何充分地結(jié)合試驗測試，利用數(shù)值模擬的方法評估分層的許和容限，成為決定飛機結(jié)構(gòu)綜 合性能的亟待解決的關鍵問題。1. 1分層產(chǎn)生的原因Pagano和Schoeppner根據(jù)復合材料構(gòu)件的形狀，將分層產(chǎn)生的原因分為柱形結(jié)構(gòu)、兩類。第一類為曲率構(gòu)件，工程中常見的曲率構(gòu)件包括扇形體、管狀結(jié)構(gòu)、 形結(jié)構(gòu)和壓力容器等；第二類為變厚度截面

3、，工程中常見于薄層板與 補強件連接區(qū)域、自由邊界處、粘合連接處及螺栓接合處等。在上述結(jié)構(gòu)件中，臨近的兩鋪 層極易在法向和剪切向應力作用下發(fā)生脫膠和形成層間裂紋。以外，溫濕效應、層板制備和服役狀態(tài)等亦是分層產(chǎn)生的原因。由于纖維與樹脂的熱膨脹系數(shù)以及吸濕率均存在差異，因此，不同鋪層易在固化過程產(chǎn)生不同程度的收縮并在吸收 濕氣后產(chǎn)生不同程度的膨脹，不同程度的收縮與膨脹所產(chǎn)生的剩余壓力是導致分層的源頭之 一幻。在層合板的制備過程中，由于手工鋪設質(zhì)量具有分散性，極易 形成富樹脂區(qū)，進而 引發(fā)樹脂固化時鋪層間的收縮程度差異，使層間具有較低的力學特性，極易形成分層3。在服役過程中，低速沖擊所產(chǎn)生的橫向集中力

4、是層合板結(jié)構(gòu)形成分層的重要原因之一。沖擊引發(fā)的臨近鋪層間的內(nèi)部損傷、層合板制造過程中工具的掉落、復合材料部件的組裝及維修以及 軍用飛機及結(jié)構(gòu)的彈道沖擊等均會引發(fā)層間分層。1 2分層的種類Bolotin 9, 將分層分為內(nèi)部分層(Internal delaminations)和淺表分層(Near-surface delaminationS兩類。其中，內(nèi)部分層源自層合板的內(nèi)部鋪層，由于樹月旨 裂紋和鋪層界面間相互作用而形成，它的存在會降低結(jié)構(gòu)件的承載能力。特別是在壓縮載荷作用下，層合板的彎曲行為受到嚴重影響(如圖1)。雖然分層將層合板分為兩個部分，但是由于兩個子層板變形間的相互作用，層合板呈現(xiàn)相似

5、的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)生整體屈曲。圖1內(nèi)部分層及對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響淺表分層產(chǎn)生于層合板接近表面的淺層位置，呈現(xiàn)出比內(nèi)部分層更為復雜的分層行 為。分層區(qū)域的變形受到厚子板的影響相對更小，淺表處的分層部分并不定受較厚的子板的牽制而變形，因此對于淺表分層，不僅需要考慮淺表分層的擴展，還 需要考慮分層子板的局部穩(wěn)定性。根據(jù)載荷形式及分層狀態(tài)可將淺表分層分為如圖2所示的 種類。bl張開的屈曲型分星b1 Open buck led17 CkisctiOpen in tension11）闔的叩曲乜專1 Hr*i /sqC vtr/in Liigc hucklcii iivith ccoiidtify trick計邊

6、第庸曲型命層F4an knr.lcl AriAT圖2淺表分層的種類在分層產(chǎn)生后，內(nèi)部分層和淺表分層在靜承載和疲勞載荷作用下可能發(fā)生分層擴 展， 層合板的強度和穩(wěn)定性明顯下降。確定分層缺陷的形式對復合材料結(jié)構(gòu)的完整性是十分層 重要的。1 3分層的微觀結(jié)構(gòu)在微觀尺度下，層間裂紋擴展后將在裂紋前緣形成損傷區(qū)域。根據(jù)樹脂的韌性和應力水平（I型，II型，山型和混合型，如圖3所示），損傷區(qū)域的尺寸和形狀呈 現(xiàn)不 同的狀態(tài)。剪切載荷下裂紋尖端應力場的衰減較緩慢，因此 和III型裂紋尖端 的損傷區(qū)域 比I型區(qū)域廣。此外，受樹脂基體的影響，脆性與韌性樹脂基體的損傷I】型 狀態(tài)具有明顯 的區(qū)別。在脆性樹脂體系下，

7、I型裂紋尖端的損傷區(qū)域會發(fā)生微裂紋的合并和生長以及纖維一 樹脂間的脫膠現(xiàn)象，上述現(xiàn)象都會誘發(fā)裂紋前進，其中，脫膠行為的發(fā)生常伴隨著纖維橋接和纖維斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。而對于剪切模式的II型和III型分層，裂紋前緣處的微裂紋發(fā)生合并的現(xiàn)象，并與鋪層角度呈45。方向擴展，直至到達富樹脂區(qū)域。界面處微裂紋的合并在纖維間的樹脂區(qū)域呈現(xiàn)鋸齒狀,圖4所示。而對于韌性材料體系，裂紋前緣的塑性變形推進裂紋擴展，呈現(xiàn)出韌性斷裂并伴 隨層間脫層現(xiàn)象的發(fā)生mi. jMoth 11MmI. 111a)b)圖3 I型、II型和III型裂紋拓展模式圖4層間II型分層的擴展模式：（a）裂紋尖端處微裂紋的形成；（b）微裂 紋的生長

8、及張開；（C）微裂紋的合并及剪切尖端的形成2準靜態(tài)下分層行為預測方法分層力學由前蘇聯(lián)的固體物理學家Obreimoff （ 1894-1981）最先著手研究,1930年，他在題名“The Splitting Strength of Mica” 的論文中詳細討論了層間斷裂韌性并研究了在剪切力作用下云母試樣的分層現(xiàn)象。時至今日，分層的力學問題在吸引重多科研工作者興趣的同時，已取得了突出的成果，分層行為的預測方法發(fā)展成為 強度理論方法、斷裂力學方法和損傷力學方法等三類。2. 1強度理論方法強度理論方法是研究分層問題的傳統(tǒng)方法，是以結(jié)構(gòu)或材料抵抗損傷發(fā)生的能力為基礎，通過將材料內(nèi)部的節(jié)點應力與界面強度的

9、大小進行比較來判斷界面是否發(fā)生 分 層。該預測分層損傷的方法由Whitney等首先提出；在進一步應用平均應力準則的基礎上，Kim等對受拉、壓載荷作用下的層合板的分 層產(chǎn)生時的臨 界 載荷值進行了預測。但是由于不連續(xù)鋪層端部易出現(xiàn)應力奇異，應力準則方法高度依賴網(wǎng)格 尺寸；且由于平均應力準則或點應力準則都引入了特征長度的概念，而特征長度并沒有很強 的理論基礎，使該方法不能夠準確地預測/KQIJ/JEU2. 2線彈性斷裂力學方法斷裂力學方法通過計算裂紋尖端應力場與裂紋尖端張開位移來評價界面的損傷狀態(tài)。在忽略材料非線性的前提下，可以采用線彈性斷裂力學方法（LEFM）有效地預測分層擴展狀IIII態(tài)，該方

10、法的核心內(nèi)容為裂紋尖端能量釋放率的計算。計 算應變能釋放率的常用方法包括虛裂紋擴展技術 （VCCT）、 J積分、虛裂紋擴張和剛 度微分方法等，通過比較應變能釋放率分量的組合式與某臨界值間的關系，可以對分層的狀 態(tài)進行預測。2. 3損傷力學方法損傷力學方法是通過引入微缺陷/微裂紋的面積等形式的損傷變量來預測界面處分層狀 態(tài)，相比斷裂力學方法，該方法不僅可以預測己存在裂紋的擴展狀態(tài)，更重要的是，可以預 測新裂紋的產(chǎn)生。以內(nèi)聚力理論為基礎，該方法考慮了復合材料基體與增強相間以化學反應的形式生成的一層界面物質(zhì)層，以界面參數(shù)的形式，充分地反映了界面物質(zhì)層的模量、強度和韌性等材料參數(shù)。內(nèi)聚力裂紋模型由Du

11、gdale回和 Barenblatt 首次提出：材料在屈服應力的作用下，會在裂紋前緣形成薄的塑性區(qū)域，在該區(qū)域范圍內(nèi)的裂紋表面有應 力作用，此 作用力為“內(nèi)聚力”；而與之相對的裂紋表面不受任何應力作用的區(qū)域為斷裂區(qū)（如圖5所示）。cohesive damage zonek frontcohesive zone (undamaged)upper/Io cohesive雖然內(nèi)聚力模型屬于局部損傷模型問，對網(wǎng)格具有依賴性，但由于其支持網(wǎng)格間的相互獨立，因此可以方便地實現(xiàn)網(wǎng)格的充分細化，達到準確計算的目可以同時完成損傷容的。采用內(nèi)聚力模型方法可以同時預測分層的產(chǎn)生和擴展, 限和強度分析。1王雪明，謝富

12、原，李敏，王菲，張佐光熱壓罐成型復合材料構(gòu)件分層缺陷影響因素 分析.第十五屆全國復合材料學術會議20082 N. J. Pagano, G. A.Schoeppner. Delamination of polymer matrix composites： problems and assessmen t, (Ed.) Anonymous Kelly, A. ; Zweben, D. , Oxford (UK). 2000T E. Tay, F. Shen. Analysis of delamination growth in laminated composites withconsidera

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